- 간단한 1회 공정으로 합성한 양극재로 열화 현상 억제 가능 - 2분 이내의 급속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기 성능 유지 최근 친환경 전기자동차가 주목을 받으면서 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 빠른 충전 속도가 가능하고 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 데 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 연구진이 고용량 및 고출력 특성의 새로운 양극(+)재를 개발하여 전기자동차(EVs) 배터리 성능을 향상시킨 결과를 발표해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구진과의 공동연구를 통해 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-man ganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성하여 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공하였다. 차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 여타 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재이다. 하지만 충·방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 인해 상용화 적용에는 한계를 가지고 있었다. 이러한 현상은 주로 양극재 입자의 표면에서 일어나므로 표면 특성의 제어는 LMR 소재의 상용화를 좌우하는 핵심요소이다. KIST 연구진은 LMR 양극재 표면을 안정화하고 나아가 빠른 리튬이온전달을 가능하게 하는 표면구조를 형성하는 새로운 기술을 개발하였다. 쉽고 간편한 한 번의 공정으로 이온전도도가 높은 지르코늄 혼합산화물을 LMR 활물질 표면에 1~2 나노미터 코팅층으로 형성하여, 표면에서 원활한 리튬이온의 확산이 가능하게 하고 소재의 열화 현상을 억제하는데 성공하였다. 본 연구를 통해 개발된 ‘수 나노미터 크기의 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층’이 생성된 양극재는 2분 이내의 고속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기의 우수한 특성을 그대로 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능한 소재로서 전기자동차 배터리에 적용 시 충전 시간을 단축하고 주행거리를 향상시키며, 제조 공정을 간소화시킬 것이 기대되는 등 상용화에 근접한 기술로 평가되고 있다. 아울러, 본 연구에서 개발된 양극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 전기차 및 중·대형 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 응용 가능한 다른 핵심 전극 소재 개발에도 새로운 해법을 제시할 것으로 전망된다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano Letters’(IF: 12.712, JCR 분야 상위 4.00%)에 11월 16일(목)자 온라인에 게재되었다. <그림자료> 그림 1. 주사투과전자현미경 (HAADF-STEM)으로 관찰한 LMR 입자의 벌크 및 표면 원자 배열 구조 (층상형 구조의 벌크, 암염 구조의 표면) 그림 2. ‘수 나노미터 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층’을 가진 LMR 입자의 (a) 충전 전, (b) 1회 충전 후, (c) 20회 충·방전 후 에너지 분산 X-선 분광 (STEM-EDS) 분석 결과 그림 3. 새로운 LMR 양극의 (a) 충·방전 속도에 따른 전압곡선 및 (b) 수명 특성

- 급속 충·방전 중 수반되는 전극 소재 열화 메커니즘 분석 플랫폼 구축 - 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 발판 마련 리튬이온전지(LIB, Lithium-ion battery)는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems)등의 대용량 전원까지 활용되는 추세다. 특히 최근 들어 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 리튬전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 즉 빠른 충전 속도를 유지하면서도 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 최근 국내 연구진이 리튬이온전지의 급속 충·방전 시 전극 소재의 변형, 즉 열화로 인한 전극 내부구조에서 일어나는 변화를 다양한 범위에서 한 눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 열화 분석 플랫폼을 확립하고, 이를 통해 전지 소재의 열화 메커니즘을 규명하여 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 최근 전기자동차용 고용량 양극(+) 소재의 후보물질로 각광받고 있는 3원계(Ni, Co, Mn) 양극 물질(NCM, LiNixCoyMnzO2) 소재의 충·방전 과정을 투과전자현미경(transmission electron microscopy)을 이용해 분석했다. 연구진은 충·방전 시 리튬이온의 이동속도 변화에 따른 전극소재의 열화 정도 차이를 각각 표면 및 벌크 구조별로 다중 길이 범위(multi length scale)에서 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 밝혔다. 리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬 이온이 내부의 전해질을 통해서 양극에서 음극으로 이동하게 된다. 리튬이온전지의 충전 속도를 급속으로 하게 되면, 리튬이온이 전극 및 전해질을 거쳐 전달되는 속도가 충분히 빠르지 못하여 전지의 용량과 수명이 급격히 감소되는 단점이 있다. 즉, 완속 충전량에 비해 훨씬 적은 용량만 충전할 수 있고, 또한 반복되는 급속 충전으로 리튬이온전지의 수명이 크게 감소하게 된다. 이러한 문제점은 전기자동차의 시장 확대에 큰 걸림돌이 되어왔다. 현재까지는 주로 전지의 성능 지표를 높이기 위해 전지 용량과 직결되어 있는 전극 소재의 벌크 구조 분석에 대한 연구가 집중되어 왔다. 하지만 KIST 연구진은 실제로 유기용매 전해액과 맞닿아 있는 전극의 표면에서 전지의 열화나 열 폭주 현상이 시작하는 것에 주목하고, 수년간의 연구를 통해 배터리의 전극 표면을 효과적으로 분석할 수 있는 전자현미경(나노스케일) 기반 전지 소재 열화 분석 플랫폼을 구축했다. 연구진은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고 분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광 분석법, 전자 회절 분석법 등)을 활용하여 전이 금속 간 함량 차이를 가지는 3원계 양극소재(NCM)에서 급속 충·방전 시 발생하는 열화 메카니즘을 규명하였다. 충전 속도에 따라 전극 물질 표면에서의 내부구조 변형의 정도가 다르게 나타나고, 내부구조 변형의 회복 정도 역시 방전 속도에 따라 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 즉, 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량의 감소와 수명 단축을 야기한다는 것이다. KIST 장원영 박사는 “전지의 안전성이 무엇보다도 강조되는 중대형 이차전지 개발에 있어서 이번 연구가 전극 소재의 설계 인자를 찾아가는 고도 분석 연구의 발판이 되길 바란다.”고 말하며, “특히 이번 분석 플랫폼을 통해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획이다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘The Journal of Physical Chemistry Letters’(IF:9.353, JCR 분야 상위 2.78%)에 11월 8일(수) 온라인 게재되었다. <그림자료> <그림 1> NCM 양극재의 니켈 함량이 각각 40% 및 80% 일때의 완속 및 100배 고속 방전 시 전지 용량 감소 변화 및 고속 방전 시 각 소재별 표면 및 벌크 내부 구조 변화 도식도

- 나노 소재 복합화를 통한 경제성 있는 나트륨 기반 이차전지 전극 소재 개발 - 온실가스 저감 및 차세대 고효율 전기 에너지 저장 시스템의 원천 기술 기대 기존 화석 연료를 주로 사용하던 에너지원은 점차 재생 가능한 에너지를 활용하는 신재생에너지로 이동하고 있다. 신재생에너지의 대표적인 예로 태양광, 풍력, 수력 및 조력 등은 에너지 발생을 자연현상에 의존하고 있기 때문에 에너지 발생이 간헐적이고, 또한 생산된 전기에너지는 즉각적으로 사용가능한 고품질의 전기가 아니라는 단점이 있다. 따라서 신재생에너지에 의해 발생된 전기에너지의 품질을 향상시키고 사용자가 원하는 시간대에 사용할 수 있도록 하기 위해, 생산된 전기에너지를 저장하였다가 필요할 때 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)이 필요하다. 최근 리튬이온전지(LIB, Lithium-Ion Batteries)와 유사하나 리튬 대신 소금의 주요 원소인 나트륨을 활용하는 나트륨이온전지(SIB, Sodium-Ion Batteries)가 잠재적 후보로 등장했다. 나트륨은 리튬대비 자원이 풍부하여 리튬이온전지 대비 가격 경쟁력이 우수한 ESS를 구성할 수 있는 장점이 있으나 이를 실현하기 위해서는 고성능의 전극 재료에 대한 연구가 필요한 상황이었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 정경윤 박사팀은 새로운 나노복합체(플루오린화 주석(SnF2)과 탄소(C))를 기반으로 하는 나트륨이온전지용 새로운 음극재 개발에 성공했다. 연구진이 개발한 음극재는 나노 크기의 플루오린화 주석(SnF2)과 고전도성 아세틸렌 블랙(C)을 불활성 조건에서 혼합한 후, 볼 밀링 방법을 적용하여 제조하였다. 연구진은 제조 환경을 적절히 조절하여 두꺼운 탄소 층으로 캡슐화 된 나노복합체를 제조하여 나트륨 이온전지에 적용하는 기술을 개발했다. 연구진은 개발한 나노 복합체 음극(SnF2/C)이 563mAh/g의 높은 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 복합화 되지 않은 SnF2 전극의 가역 용량(323mAh/g)에 비해 약 두 배 가량 향상되었음을 보여주었다. 수명 특성 또한 복합화되지 않은 SnF2 전극은 지속적인 용량 감소를 나타내며 충·방전 50 회차 시 49mAh/g의 용량을 나타내나, 나노 복합체 음극(SnF2/C) 전극은 동일한 충·방전 회차 시 337mAh/g의 높은 용량을 유지하여 수명 특성이 획기적으로 향상된 것을 확인했다. 연구진은 나노복합화를 통해 향상된 수명 특성의 효과를 이끌어 내었다. 본 연구를 주도한 KIST 정경윤 박사는 “본 연구에서 개발된 나노 복합체(SnF2/C)는 나트륨이온이차전지에 적용하여 전지 성능(에너지밀도)을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 기술로 향후 나트륨이온이차전지를 에너지 저장 시스템에 적용하는데 기여할 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF : 12.343) 최신호에 게재되었다. <그림자료> <그림 1> 나노 복합체 음극 SnF2/C와 마이크로 크기의 SnF2 음극의 수명 특성 비교 나노 복합체 음극 SnF2/C는 마이크로 크기의 SnF2 음극대비 높은 초기용량을 나타내며, 수명 유지율 또한 월등히 우수하다. <그림 2> 합성 과정 개요 및 나노 복합체 음극 SnF2/C의 전자현미경 사진 합성 과정인 볼 밀링 프로세스의 개요(좌) 및 합성된 복합체의 전자현미경 사진(우)으로, SnF2의 입자 크기는 대략 25nm이며, 해당 나노 입자를 탄소 코팅층이 캡슐화 하고 있는 것으로 나타낸다.

- 1, 2차원 반도체 혼합 구조의 하이브리드 광다이오드 소자 개발 - 개발한 광다이오드 소자로 차세대 나노반도체 기반 이미지 센서 구현 일반적으로 광다이오드 소자는 우리가 일상생활에 사용하는 디지털 카메라 또는 휴대폰 카메라의 이미지 센서 픽셀을 구성하는 필수 요소 중의 하나이다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 경우 광다이오드 소자에서 가시광의 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하고 구동회로 칩을 통해 이러한 신호를 처리하는 방식으로 이루어져있으며, 최종적으로 우리가 촬영하는 사진이나 동영상을 디스플레이를 통해 볼 수 있게 해준다. 최근 국내 연구진이 2개의 차원을 혼합한 하이브리드 광다이오드 소자를 개발하여 차세대 나노 반도체 기반 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사팀은 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 2차원 텅스텐 디셀레나이드*(Tungsten diselenide, WSe2) 나노시트 반도체와 1차원 산화아연 (ZnO) 산화물 나노선 반도체의 차원 혼합 이중 접합 구조를 제작하고, 이를 이용하여 자외선에부터 근적외선까지 빛을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공하였다. *텅스텐 디셀레나이드 : 텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide, WSe2)는 칼코겐화물의 일종이며 다양한 표면에 코팅되어서 저전력 소자, 저렴하고 유연한 디스플레이, 센서, 유연 전자소자에 사용가능한 2차원 적층 결정 구조를 가지고 있는 나노 반도체 소재 저차원 나노 반도체 소재는 차세대 반도체 시대를 준비하는 미래 반도체 소재의 유력한 후보군으로서 이를 적용한 소자 연구에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히 2차원 원자막 반도체 소재의 경우 단일층 또는 다층형태의 나노시트를 구성할 수 있어 흥미로운 물리·화학적 특성을 구현해 낼 수 있다. 또한 결함이 없는 표면을 형성하기 때문에 기존 벌크 소재나 박막 소재로는 구현이 어려운 차원 혼합을 통한 이종 접합 구조를 용이하게 구현할 수 있어 다양한 전자 소자 및 광소자로써의 응용이 가능하다. KIST 연구진이 사용한 2차원 소재(텅스텐 디셀레나이드(WSe2))의 경우 광응답 특성이 우수하며 홀 이동도가 우수한 p형 반도체 소재이며, 1차원 산화아연(ZnO) 나노선은 현재 가장 유망한 1차원 나노 반도체 중 하나로 우수한 전자 이동도를 가지고 있어 고성능 전자 소자 응용이 가능한 n형 반도체 소재이다. 연구진은 단결정 벌크에서 박리한 2차원 나노시트와 화학기상증착법으로 합성된 1차원 ZnO 나노선 소재와의 차원 혼합 이종 접합 구조(pn형)를 형성하여 광다이오드 소자를 개발하였다. 연구진은 제작된 하이브리드 광다이오드 소자를 이미지 센서 픽셀로 사용하여, “뽀로로” 관련 내용이 기사에 인용될 경우, 반드시 ㈜아이코닉스의 사전 승인 부분을 언급해 주시기 바랍니다. 국내 인기 어린이 애니메이션의 “뽀로로” 캐릭터 이미지를 ㈜아이코닉스의 사전승인과 협조를 받아 이미지화하는데 성공하였다. KIST 황도경 박사는 “이번 연구를 통해 1, 2차원 저차원 반도체 소재의 하이브리드 소자를 개발하여 자외선에서 근적외선에 이르는 빛을 감지하는 광다이오드 기본 소자를 구현했다.”고 말했으며, 박민철 박사는 “이번 연구는 새로 개발한 소자를 이용, 성공적인 2차원 이미지화를 구현하였으며, 향후 나노 스케일의 반도체 픽셀을 기반으로 하는 차세대 이미지 센서 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업, 중견연구자지원사업, Giga KOREA 사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124)에 11월 3일(금)자 온라인 게재되었다. <그림자료> <그림> 1차원 나노선-2차원 나노시트 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 소자 (a) 완성된 하이브리드 광다이오드 소자의 모식도 (b) 광다이오드 소자의 청색광 응답 특성 (c) 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 구현 모식도 및 실제로 얻어진 애니메이션 캐릭터 ‘뽀로로’ 이미지

- 2차원 신물질(MXene, 맥신)을 이용한 광대역 극초단 레이저 발생 기술 - 초정밀 물질가공, 초고속 광통신 등 첨단 응용분야에 활용 기대 최근 2차원 물질에 대한 연구는 그래핀을 넘어 다양한 형태의 2차원 물질들로 확산되는 경향을 보이고 있다. 지난해 KIST 구종민 박사팀이 美 드렉셀(Drexel) 대학교와의 공동연구를 통해 전자파차폐용으로 개발했던 ‘MXene’(Science, VOL.353, 2016)이라 불리는 2차원 나노물질은 최근 제조된 2차원 물질 중 가장 뛰어난 전자적 특성과 친수성 표면 화학기능기, 고분자 물질과의 혼합 용이성에 기인하여 슈퍼커패시터의 전극 물질, 전자파 차단 소재, 다공성 박막 소재 등 다양한 응용 연구들이 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 맥신 소재를 이용하여 극초단 레이저 펄스를 발생시켜 첨단 응용분야에 사용될 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 전영민 박사팀은 美 드렉셀(Drexel) 대학교 및 서울시립대 연구진과 공동연구를 통해 새로운 2차원 나노물질인 맥신(MXene)을 이용하여 넓은 대역과 펨토초(femto second, 10-15)대의 극초단 레이저 펄스를 발생시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 1000조 분의 1초의 짧은 펄스 폭을 지니는 펨토초 레이저는 펄스폭이 매우 짧고 순간적으로 강한 에너지를 전달할 수 있어 초정밀 물질가공, 초정밀 안과수술, 테라헤르츠빔 발생, 초고속 광통신 등 다양한 첨단 응용 분야에 활용될 수 있다. 맥신 2차원 물질은 티타늄과 같은 중금속 원자와 탄소 원자의 이중 원소로 이뤄진 얇은 판 모양의 나노 물질로, 초고속 포화흡수체로 작용하여 빛을 매우 빠른 속도로 스위칭할 수 있어 펨토초대의 짧은 펄스를 만들 수 있다. 또한 기존 2차원 물질과 달리 에너지 갭이 없는 금속성 2차원 물질이기 때문에 근적외선 및 중적외선 영역을 포함하는 매우 넓은 파장 영역대의 레이저 빛을 발생시킬 수 있는데, 본 연구진은 이를 실험적으로 입증하였다. 게다가 맥신 2차원 물질은 표면에 다량의 친수기(*물과 친화성이 강한 원자단)를 가지고 있어 고분자와 혼합이 용이하여 산화에 강한 필름형태의 복합 물질을 제조하기 쉬우며, 혼합 상태에서도 우수한 펄스 레이저 발생 특성을 보였다. KIST 전영민 센터장은 “최근에 개발된 맥신 2차원 물질은 수퍼커패시터 전극 물질, 전자파 차단 소재, 나노다공성막 등의 응용에 대한 연구가 진행되어 왔으나 레이저 광학분야로의 적용은 전무한 실정이었다.”라고 말하며, “이번 연구를 통해 맥신의 뛰어난 광학 응용 잠재성을 확인하였으며, 후속 연구를 통하여 새로운 차세대 광학소자의 개발 연구를 이어나갈 계획이다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 권위있는 국제학술지인 ‘Advanced Materials’(IF : 19.791) 10월 25일자 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정되어 게재되었다. <그림자료> <그림 1> (위) 맥신 2차원 물질 기반의 펨토초대 펄스 레이저 시스템 (아래, 좌) 펨토초대 펄스폭을 가지는 레이저의 자기상관법에 의한 펄스폭 측정 (아래, 우) 출력된 펄스 레이저빔의 전기 스펙트럼 <그림 2> (좌) 중적외선(1875 nm) 펄스 레이저빔이 발생하는 것을 입증하는 광학 스펙트럼 (우) 펌프 파워 변화(194에서 230 mW으로)에 따른 레이저빔의 출력특성(위 곡선에서 아래 곡선)

- 새로운 인공 고체-전해질 물질로 전극 안정화, 고성능 리튬-황 전지 구현 - 향후 드론, 자율주행차등 에너지 저장시스템에 적용 기대 리튬-황(Lithium-Sulfur battery)전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 대략 8배 높은 에너지밀도를 가져 제대로 구현이 된다면 리튬이온전지를 상회할 수 있다고 기대되는 2차전지이다. 하지만 황(octa-sulfur)을 양극으로, 리튬 금속을 음극으로 하는 리튬-황전지의 구현에는 많은 제약이 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다. 최근 연구진이 기존의 액체 전해질 사용시 발생하는 문제를 해결한 새로운 인공 고체-전해질 중간물질(ASEI, artificial solid-electrolyte interphase)을 사용하여 리튬-황 전지의 성능과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 조원일 박사팀은 ‘무인 이동체’를 구동을 위한 차세대 전지 기술을 개발해왔으며, 이번에 새로운 물질을 개발하여 전지의 이온 보호막으로 사용, 리튬 음극과 황 양극의 안정화를 끌어내어 고성능 리튬-황 전지 기술을 개발했다. 기존의 리튬-황 전지의 단점은 양극으로 사용하는 황의 낮은 전기전도도와 반응생성물인 부도체(Li2S)와 추가적으로 발생하는 반응생성물인 리튬폴리설파이드(LPS, Li2Sn 2<n<8)라 불리는 중간 종의 형성에 있다. 이 물질들은 전극 물질의 손실과 낮은 재이용율 문제를 일으켜 그 결과로 전지의 용량이 빠르게 감소하거나, 충·방전 수명이 짧아지며, 화학적 단락이 발생하게 된다. 또 다른 문제는 충·방전 시 음극인 리튬의 높은 반응성과 불균일한 전착이 과열, 전해액 분해, 리튬 손실을 야기한다. 충전과정에서 리튬이온의 불균일한 전착은 분리막을 꿰뚫게 되는 이른바 ‘덴드라이트’(Dendrite, 수상돌기) 성장이 일어나 많은 열과 스파크를 일으켜 가연성 유기물인 전해액의 발화를 일으키는 심각한 안전문제를 가져온다. KIST 연구진은 리튬-황 전지의 양극과 음극 모두에서 일어나는 전기화학공정을 안정화시키기 위해 방어막 역할을 하는 새로운 인공 고체-전해질 중간물질(ASEI)을 제조하여, 음극(-)에서 리튬의 안정한 도금을 형성하여 단점을 상쇄하는 원천적 메커니즘을 밝혔다. 유사한 개념을 적용하여 양극(+)에서의 문제도 해결하여 매우 효과적으로 황의 재이용율을 높이는 것을 고안했다. 연구진은 서로 다른 두 종류의 고체-전해질 중간상(ASEI) 설계 개념을 결합하여 제조한 고성능 리튬-황전지가 1,000회 이상의 안정적인 충·방전이 가능하며, 기존의 리튬이온전지에 비해 용량이 3배 가량 상회하는 것을 확인함으로서, 전지의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다. 본 연구를 주도한 KIST 조원일 박사는 “이번 연구는 가까운 시일 내에 리튬금속을 음극으로 하는 차세대 이차전지의 상용화를 앞당기게 될 것”이라 말하며, “이번 개발한 리튬-황 전지는 가볍고 에너지 출력이 높아 향후 드론, 자율주행차와 에너지저장시스템(ESS)등에 적용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 ‘무인이동체 사업단’ 사업과 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’ (IF:12.34)에 10월 7일(목) 온라인 게재되었다. <n<8)라 안전문제를="" 심각한="" 일으키는="" 발화를="" 전해액의="" 유기물인="" 가연성="" 스파크를="" 열과="" 많은="" 일어나="" 성장이="" 수상돌기)="" ‘덴드라이트’(dendrite,="" 이른바="" 되는="" 꿰뚫게="" 분리막을="" 전착은="" 리튬이온의="" 충전과정에서="" 야기한다.="" 손실을="" 리튬="" 분해,="" 전해액="" 과열,="" 전착이="" 불균일한="" 반응성과="" 높은="" 리튬의="" 음극인="" 시="" 문제는="" 다른="" 또="" 된다.="" 발생하게="" 단락이="" 화학적="" 짧아지며,="" 수명이="" 충·방전="" 감소하거나,="" 빠르게="" 용량이="" 전지의="" 결과로="" 그="" 일으켜="" 문제를="" 재이용율="" 낮은="" 손실과="" 물질의="" 전극="" 물질들은="" 이="" 있다.="" 형성에="" 종의="" 중간="" 불리는="" div="" 가져온다.？<=""> <그림설명> <그림 1> 인조 고체-전해질 중간상을 적용한 고성능 리튬-황전지 개념도 </n<8)라>

- 열팽창 입자를 이용한 고분자 입자의 형상 및 밀도 제어 기술 - 정밀한 나노패턴 구현 가능, 다양한 플랫폼으로 활용 기대 다양한 형태를 가지는 마이크로(μ(micro), 100만분의 1미터) 크기의 입자들은 전자파 차폐 및 열전도성 복합체용 기능성 필러 소재나, 지능형 약물 전달 및 질병 진단용 바이오 소재, 차세대 광전 소자 응용을 위한 광자 결정 소재 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 하지만, 고분자 입자의 모양 및 밀도를 응용 용도에 맞게 맞춤형으로 제조하는 기술은 아직 개발되지 못하고 있어 그 응용에 제약이 따르고 있었다. 최근 국내 연구진이 열팽창성 고분자 입자를 이용해 다양하고 복잡한 형태를 가지는 중공형(中空形) 고분자 입자를 손쉽게 제조할 수 있는 기술을 구현했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 박사 연구팀은 美 펜실베니아대(University of Pennsylvania)의 슈 양(Shu Yang) 교수팀과의 공동 연구를 통해 열팽창성 고분자 입자를 사용하여 충진(Packing)과 재밍*(Jamming) 공정을 통한 다양한 형태의 마이크로 입자와 매우 낮은 밀도를 가져 가벼운 중공 형태의 고분자 입자 제조 기술을 개발하였다고 밝혔다. * 재밍 (Jamming) : 과립, 유리질, 거품, 에멀젼, 복합 유체 등의 재료가 그 밀도가 증가함에 따라 점도가 증가하는 현상 KIST 구종민 박사팀은 기존의 입자 제조의 문제점을 극복하기 위해 먼저 가열된 조건에서 스스로 팽창하는 특성을 가지는 팽창성 고분자 입자를 제조하였다. 연구진은 제조된 팽창성 입자를 원하는 형상의 주형(mold) 내에 결합(docking)시킨 후, 이를 가열하여 팽창시킴으로써 원하는 형태의 입자를 만들어내는 제조 공정을 활용하여 형태 및 밀도를 자유롭게 제어할 수 있는 마이크로 입자 제조 기술을 개발하였다. 연구진이 개발한 기술은 주형의 틀 형태 뿐 아니라 결합(docking)한 입자의 개수, 열팽창 온도 등의 조건을 적절히 제어하여 고분자 입자의 형태와 밀도를 자유롭게 구현 가능하다. KIST 구종민 박사는 “본 연구로부터 개발된 마이크로 입자의 제조 기술은 형태 및 밀도 제어가 용이할 뿐 아니라 입자의 표면에 정밀한 나노 패턴 구현과 같은 부가적 기능을 부여할 수 있는 플랫폼 기술로써 매우 뛰어난 확장성을 가진다.”고 밝혔다. 또한 구종민 박사팀은 전자파를 99.9%차단하는 신개념복합소재 개발(Nanoscale, 2017)에 성공하여 이번 연구결과와 연계한 고분자 중공 입자들을 전자파 차폐 및 열전도성 고분자 복합체의 최적 충진을 위한 필러 소재로써 적용하기 위한 후속 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업, KU-KIST 스쿨(고려대-KIST융합대학원) 운영사업, 한국연구재단의 중견연구자사업을 통해 수행되었으며, 본 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Nature Communications’(IF : 12.124)에 9월 28일자 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 열팽창성 입자의 도킹 및 팽창을 통한 입자 형태 제어 열팽창성 입자를 다양한 형태의 몰드 내에 도킹시키고, 온도를 높여 입자를 팽창시켜 다양한 형태의 고분자 중공입자를 제조하였다. 몰드의 형태 및 팽창 온도 (압력), 입자 개수를 조절하여 형상과 밀도를 제어한다. <그림 2> 열팽창 공정을 통한 마이크로 입자 표면에 나노 패턴 구현 열팽창성 고분자 입자의 형태 다양화 뿐 아니라, 이들의 팽창 공정을 이용하여 입자 표면에 다양한 나노 패턴을 전사하였다.

- 친환경 실리콘 오일을 이용한 고성능 소듐이온전지 안티몬 복합소재 구현 - 리튬이온전지 대체할 높은 용량의 차세대 이차전지 시스템 기대 리튬이온전지(LIB, Lithum-ion battery)는 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 나타내 지난 20년 이상 동안 휴대기기와 같은 소형기기의 동력원뿐만 아니라 최근 하이브리드 자동차와 전기자동차의 대형 전력 저장용으로 그 이용범위가 확대되고 있다. 하지만 점점 고갈되고 있는 리튬 원료로 인해 리튬이온전지 대신 새로운 차세대 이차전지 시스템에 대한 개발이 화두이다. 리튬이온전지를 대체할 이차전지로는 자원이 풍부하여 저렴하고 친환경적이며 높은 용량을 가지는 소듐이온전지(SIB, Sodium-ion battery)의 음극 소재 개발에 대한 관심이 높아지고 있는데, 최근 국내 연구진이 간단한 합성방법을 통해 높은 전지용량을 가지는 소듐이온전지용 음극 복합소재를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 최원창 박사팀은 소듐이온전지의 음극용 소재로 기존에 보고된 합성법보다 더욱 저렴하고 간단한 방법을 통해 고성능의 안티몬(antimony) 입자들이 박혀있는 실리콘옥시카바이드 복합체를 합성하는데 성공했다. 연구진은 복합체 음극물질을 구현하는 동시에, 충·방전 도중에 발생하는 안티몬 소재의 부피팽창을 억제할 수 있는 더욱 견고하고 탄성력을 지니는 복합물질을 개발하는데 성공하였다. 연구진이 개발한 음극용 복합체는 합성 시 별도의 추가 화학물질 첨가 없이, 실리콘 오일과 안티몬 파우더만을 이용하여, 실리콘옥시카바이드 소재 안에 안티몬 입자가 골고루 분산되어 있는 복합소재로, 간단하게 합성할 수 있어 향후 안티몬뿐만 아닌 다양한 소듐이차전지용 합금계 음극 복합체 개발에 도움이 될 전망이다. 소듐(나트륨) 자원은 리튬과 달리 광물뿐만 아니라 해수에 다량 함유되어 있어 자원이 고갈될 염려가 없고, 리튬과 비슷한 화학성질을 지녀 소듐이온전지를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되었다. 그러나 소듐이온은 리튬이온보다 원자번호가 크고 이온반경이 크기 때문에, 현재 리튬이온전지의 상용 음극으로 사용되는 흑연 소재를 소듐이온전지의 음극 소재로 적용이 불가능하다는 단점이 있었다. 최근 학계의 발표에 따르면, 안티몬 소재는 기존 리튬이온전지 상용 음극소재인 탄소계 음극물질보다 2배 정도 높은 용량을 가지고 있어 리튬이온전지 및 소듐이온전지의 유망한 음극소재로 주목 받고 있지만, 전지의 충·방전 과정 중 발생하는 안티몬 소재의 물리적인 부피 팽창으로 인한 소재의 열화가 심각하다는 단점이 있었다. 본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 액체 형태인 실리콘 오일 안에 고체 형태의 안티몬 나노입자를 분산시킨 후, 한 번의 열처리 공정을 통하여 실리콘옥시카바이드/안티몬 복합소재를 합성하였다. 이 복합소재는 실리콘 오일 자체의 높은 점도를 활용하였기 때문에, 추가적인 화학물질 없이 열처리만으로 실리콘 옥시카바이드 소재 내에 안티몬 나노입자가 잘 분산된 복합소재의 구현이 가능하였다. 연구진은 개발한 복합소재를 소듐이온전지의 음극소재로서 적용하였을 때, 안티몬 입자의 부피 팽창 혹은 입자간 뭉침을 효과적으로 억제하여 250회 이상 전지의 충·방전 시 97% 성능을 유지하는 것을 확인했다. KIST 최원창 박사는 “본 연구의 실리콘 오일을 이용한 복합체 합성법은 안티몬 뿐만 아닌 다른 합금계 음극소재에 적용 가능하여, 다양한 이차전지 복합 음극소재를 개발 할 수 있다” 고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업(녹색도시기술플래그십연구사업)으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF:12.124)에 9월 13일자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 안티몬 나노입자들이 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체 합성 모식도 Step I. 실리콘 오일이 본연적으로 가지는 높은 점도(걸죽한 특성) 특성에 착안하여, 추가적인 화학물질 없이 30분 정도의 교반(stirring)만으로, 그림처럼 실리콘 오일안에 안티몬 전구체 파우더가 잘 분산된 상태 Step II 및 Step III. 상기 실리콘 오일안에 안티몬 전구체 파우더가 잘 분산된 상태 그대로, 간단히 대기 분위기의 400도 온도에서 6시간 동안 열처리(step II)를 수행한 후에, 이어서 900도에서 7시간 열처리를 하여 복합소재 구현. 최종 산물은, 나노 사이즈의 안티몬 나노입자들이 촘촘히 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체임. <그림 2> <안티몬 나노입자들이 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체의 투과전자현미경 이미지

- 면역세포와 상호작용하여 조직재생을 유도하는 하이드로젤 개발 - 의료용 생체재료로써 혁신 신약 시장 개척 기대 교통사고나 뇌졸중 등으로 인해 중추신경계가 손상되면 이차적인 신경변성이 일어나 신경조직에 결손이 생기고 물혹(낭포성 공동)이 발생하는데, 이는 신경회로의 재생을 억제하고 줄기세포의 생착을 방해하는 등 회복에 큰 저해요소가 되고 있다. 이러한 낭포성 공동의 생성을 억제하기 위해 다양한 생체재료들이 개발되었지만, 고형의 물질들은 불규칙한 형태의 손상부위를 효과적으로 메워주지 못하고 젤 타입의 물질들은 조직 내 강도나 지속성의 문제로 인한 기능 수행에 한계가 있었다. 최근 국내연구진이 중추신경계 손상 후 물혹(낭포성 공동)이 생기는 것을 억제하는 신개념의 하이드로젤(hydrogel)*을 개발하여, 척수 손상 시 중추신경계 조직의 재생을 유도하는 새로운 치료법을 제시하였다. * 하이드로젤(hydrigel) : 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 송수창 박사팀은 아주대학교 뇌과학과 김병곤 교수팀과의 공동연구를 통해 면역세포를 젤(gel) 내에 머물게 하여 물혹(낭포성 공동)의 생성을 억제하는 주입형 하이드로젤 개발에 성공했다. 연구진은 개발한 하이드로젤이 외상 후 발생하는 물혹을 억제하여 2차 손상으로부터 신경세포들을 보호하고 재생을 돕는 것이 가능하다고 밝혔다. KIST 송수창 박사팀은 첫째, 불규칙한 손상부위를 메우기 위한 온도감응성 하이드로젤의 적용, 둘째로 조직 내 지속성 문제를 해결하는 빠른 조직 재생효과를 유도하기 위한 면역시스템이라는 두 가지 측면에서 접근하였다. 연구진은 상온에서는 액상을 유지하지만 체온에서는 증가된 온도로 인해 고형의 젤로 변화하는 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로젤이라는 물질을 사용했다. 또한 면역 기능을 조절하는 대식세포**를 효과적으로 잡아주는 물질(이미다졸(imidazole)) 그룹을 하이드로젤에 도입함으로써, 하이드로젤 내에 대식세포가 효과적으로 머물게 하여 생성된 섬유성 세포외기질단백질이 하이드로젤 부위를 채워줌으로써 조직결손을 메우는 시스템을 개발할 수 있었다. ** 대식세포 : 혈액, 림프, 결합 조직에 있는 백혈구로 세포로 침입한 병원균이나 손상된 세포를 포식하여 면역기능 유지에 중요한 역할을 한다. KIST 송수창 박사는 “개발된 하이드로젤은 생체 적합성이 뛰어나면서도 물혹을 효과적으로 막아주고, 중추신경계 손상으로 인한 2차적 신경변성을 막아 신경계 손상 환자들의 증상을 완화할 수 있다.”라고 말하며, “또한 이 기술은 각종 다른 조직재생 인자들과 함께 사용되어 신경변성 억제를 넘어선 신경재생을 유도하는 시스템으로 적용될 수 있을 것으로 전망한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 바이오의료기술개발사업 “줄기세포 및 유전자 전달을 위한 다기능 온도감응성 하이드로젤 개발”과제(총괄과제책임자, KIST 송수창 박사) 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 이루어졌으며, 본 연구결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’ (IF : 12.124) 9월 14일(화) 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 척수손상 모델에서의 주입형 하이드로젤의 도입 및 조직재생 유도과정 <그림 2> 하이드로젤 주입 후의 공동의 생성 억제 효과 및 그에 따른 행동능력 증가

- 실리콘 나노입자를 내장(embedding)한 음극재로 부피 팽창 억제 - 500회 이상의 안정적인 충·방전 가능, 기존 흑연 음극재 성능 뛰어넘어 리튬이온전지는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems) 등의 대용량 전원까지 활용되고 있으며, 그 수요가 증가하고 있다. 이에 리튬이온전지의 성능(에너지밀도)을 증대시키기 위해 양극 소재에 대한 개발이 활발히 진행되어 고용량의 양극 소재가 적용되고 있으나, 음극 소재는 상용화 후 30년 가까이 지난 지금까지도 흑연 소재 음극재(약 370mAh/g)를 사용하고 있어 한계에 가까워진 실정이다. 최근 국내 연구진이 흑연 음극재를 대체할 실리콘 기반의 음극재를 개발하여 리튬이온전지의 성능(에너지 밀도)과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 정훈기 박사 연구팀은 기존 실리콘 기반 음극재 상용화의 기술적 장벽이었던 부피 팽창 문제를 획기적으로 해결하는 방법으로 단단한 다공성 구형 탄소 구조체에 실리콘 나노입자를 내장(embedding)시킨 음극재를 개발하였다. 이론적으로 실리콘 기반 음극재는 상용화된 흑연계 음극재보다 10배 이상의 높은 용량을 가진다고 알려져 있으며, 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복함에 따라 약 4배 정도의 부피 변화를 동반하고 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨짐으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 그동안 리튬이온전지로의 상용화를 위해 실리콘 음극재의 부피팽창을 억제하는 연구로는 전도성 소재의 표면 코팅, 다공성 실리콘 입자 기술 등 많은 공정을 거치는 방법으로 고성능과 안정된 충·방전 성능을 구현해왔다. 그러나 KIST 연구진은 간단한 수열합성방법이라는 한 번의 공정만으로 단단한 구형의 다공성 탄소 입자 내에 50 나노(nm) 이하의 실리콘 나노 입자를 캡슐화 및 고정화시켜 내장함으로서 ‘실리콘 내장 탄소 복합 재료’(Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework)를 개발하였다. 연구진은 ‘실리콘 내장 탄소 복합재료’를 음극재로 이용하여, 충·방전 시 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 한정된 공간인 다공성 탄소 입자 기공 내에 일어나도록 유도함으로서 전극의 벗겨짐 현상 또는 부피 팽창을 억제하여 성능 저하를 최소화 시켰다. 동시에 반복되는 충·방전을 통해 실리콘 나노 입자의 부피가 팽창하면서 점점 더 작은 크기로 부서져, 다공성 탄소 기공 내에 안정적인 위치로의 재배치가 이루어지게 하여 부피팽창 없이 500회(cycle) 이상 안정적인 충·방전이 가능한 성능을 구현하였다. 또한 연구진은 개발된 실리콘 음극재가 기존의 흑연계 음극재의 성능에 비해 4배 가량 상회하는 것을 확인함으로서, 배터리의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “이번 연구는 실리콘 음극재의 구조적 안정성과 고성능을 동시에 확보한 결과”라고 말하며, “안전하고 오래 쓸 수 있는 리튬이온전지용 실리콘 음극재의 상용화를 앞당겨, 향후 고용량 리튬이온전지가 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)으로의 적용을 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 영펠로우(Young Fellow) 사업, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(과제책임자, KIST 정훈기) 등을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Letters’(IF:12.712)에 8월 28일 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 제조된 실리콘계 음극재 소재의 미세구조, 충방전시 실리콘 나노입자의 거동 분석 결과 및 모식도, 리튬이온전지 성능 특성 평가 결과